Технологии геодезического контроля осадок сооружений и их оснований (стр. 3 )

В то же время гидростатические приборы и системы имеют и ряд серьезных недостатков, не позволяющих использовать их широко в практике контроля деформаций многих объектов промышленных предприятий. К ним относятся:

- колебание температуры, которое приводит к изменению плотности жидкости, а следовательно, и высот столбов жидкости, что не позволяет применять повсеместно гидростатический метод в производственных цехах, особенно это проявляется в системах с перераспределением жидкости;

- влияние вибрационных нагрузок от работающего оборудования на точность отсчитывания, что не позволяет применять этот метод на сооружениях
и оборудовании со значительными динамическими нагрузками;

- малый диапазон измеряемых превышений, что затрудняет работы по установке КИА и использование метода при больших осадках и деформациях;

- большие затраты на установку, проверку и обслуживание автоматизированных систем контроля, что выгодно только при непрерывном контроле или периодическом контроле с высокой частотой замеров;

- отсутствие общепринятых классов и методик гидростатического, гидродинамического нивелирования и приборов с перераспределением жидкости, что затрудняет метрологическое обеспечение геодезических работ на контролируемых объектах.

Исходя из перечисленных выше преимуществ и недостатков, переносные приборы гидростатического нивелирования целесообразно применять при измерении осадок объектов с летучим или периодическим контролем, где требуются точности измерения превышений выше, чем это может обеспечить геометрическое нивелирование, при этом отсутствуют большие перепады температуры окружающей среды и действуют незначительные вибрационные нагрузки, а измерения приходится производить в стесненных для других методов условиях.

Стационарные гидростатические и гидродинамические системы целесообразно применять при измерении осадок объектов с непрерывным или частым периодическим контролем и требуемой высокой точностью измерений. При этом температурные и вибрационные нагрузки на систему должны быть незначительными. Автоматизированные стационарные системы, дополнительно к сказанному, целесообразно создавать и при контроле деформаций сооружений на разных уровнях и в разных помещениях, что позволит значительно ускорить
и удешевить съем информации.

Метод тригонометрического нивелирования [7, 58, 131, 134, 151, 161, 176, 188, 228 и др.] для контроля осадок применяется значительно реже по сравнению с методами геометрического и гидростатического нивелирования. Это связано с относительно низкой точностью измерений превышений и значительными затратами, связанными с точными измерениями не только вертикальных углов, но и линий. Однако, в настоящее время, в связи с созданием высокоточных электронных тахеометров, роль его значительно возрастает. Свое место он находит там, где методы геометрического и гидростатического нивелирования неприемлемы по причине значительных перепадов высот или недоступности КИА – определение осадок арочных плотин, земляных плотин и насыпей, глубоких котлованов. Особенно хорошие результаты можно получить при контроле объектов, где одновременно необходимо контролировать как вертикальные, так и горизонтальные перемещения – оползания откосов земляных плотин, бортов водохранилищ и др.

Метод наземной фотограмметрической съемки [7, 58, 134, 176, 188, 190, 228 и др.] для контроля осадок зданий, сооружений и оборудования промышленных предприятий применяется крайне редко. Это связано с недостаточной точностью измерений контролируемых параметров, сложностью выбора исходных пунктов и обзорной перспективы для съемки объектов, особенно внутри производственных помещений, необходимостью обработки результатов съемки на специальных, достаточно редких в широком применении, приборах. Вместе с тем, при больших объемах работ и приемлемой для контроля параметров точности, этот метод становится иногда наилучшим, например, при летучем пассивном контроле (точность при пассивном контроле в несколько раз меньше, чем при активном) деформаций объемных сооружений – открытых частей плотин, градирен, крупных резервуаров и т. п.

Микронивелирование [7, 10, 15, 119, 134, 149, 192, 228, 242 и др.], как один из методов измерения осадок и деформаций конструкций по высоте, несмотря на высокую точность измерения превышений, применяется достаточно редко. Это связано с малыми величинами измеряемых превышений и малыми расстояниями между контролируемыми точками. Поэтому метод используется только при контроле деформаций крупногабаритного оборудования и его элементов – направляющих путей кареток станков для изготовления крупногабаритных деталей, плоскостности и прямолинейности опорных рам и баз оборудования и т. п.

При выборе схем, методов и средств нивелирования большую роль на точность нивелирования оказывает влияние продолжительности самих измерений на изменяющихся во времени объектах [105]. Во время измерений, вследствие естественного процесса осадок конструкций сооружений и оборудования, изменяется положение контрольно-измерительной аппаратуры, которое может достигать больших величин и повлиять на измеряемые превышения и невязки ходов.

Определенная доля влияния перемещений марок на процесс нивелирования может быть устранена методикой нивелирования – порядком отсчитывания по рейкам. Однако основное время при нивелировании на объекте по маркам уходит не на взятие отсчетов, а на приведение марок в рабочее положение, перестановку прибора и установку его в середину между марками, приведение его в рабочее состояние, настройку на взятие отсчета. Изменение положения марок за это время не может быть устранено методикой нивелирования, Особенно большое влияние на невязку хода будут оказывать длительные неизбежные остановки (на обеденный перерыв, на ночное время и т. п.) в процессе проложения замкнутых ходов на объектах с большим числом марок. Теория влияния продолжительности измерений на точность нивелирования подробно рассмотрена в работе [105]. На основании исследований в указанной работе приведены формулы и составлены графики (рис. 4.2.2), по которым можно производить вычисления требуемого времени нивелирования на объекте. Вычисление времени нивелирования рекомендовано производить по формуле:

, (4.2.12)

где – допустимое время в сутках (часах) проложения хода;

– допустимая суммарная ошибка влияния перемещения объекта на невязку хода (так как ошибка носит систематический характер, то принимается, как правило, равной 0,1 части допустимой невязки в ходе);

– средняя скорость осадки объекта в цикле измерений.

0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50

Рис. 4.2.2. Графики расчета допустимого времени проложения
замкнутых ходов нивелирования (в сутках)

Расчеты показывают, что при больших скоростях перемещений объектов
и требуемой высокой точности измерений превышений, нивелирование по замкнутому полигону необходимо выполнять иногда в считанные часы. Поэтому при проектировании контроля осадок следует рассчитывать, и, если необходимо, сокращать время измерений на объекте, например, за счет участия в измерениях одновременно нескольких бригад. Необходимо отметить также, что существенного уменьшения влияния осадок на точность нивелирования можно достичь, применяя трехступенчатую систему нивелирования, рассмотренную выше.

Назначение класса и средств нивелирования в ступенях и ходах связи производят исходя из величин СКП измерений превышений на одну станцию нивелирования, полученных в результате расчета точности по формулам
(4.2.3 – 4.2.11) и особенностей применения методов нивелирования, приведенных выше. Полученные погрешности сравнивают с нормативными, установленными для классов нивелирования (см. табл. 4.1 – 4.4), а также с паспортными характеристиками точности средств измерений, описанных выше, и выносят соответствующее решение.

4.2.4. Проектирование методов обработки результатов
измерений осадок и форм отчетной документации

Документация, отражающая результаты геодезического контроля осадок, может проектироваться в виде акта, заключения или технического отчета. Назначение вида отчетной документации зависит от уровня ответственности контролируемого объекта, методов и средств контроля. Документация в виде акта проектируется при контроле осадок объектов предприятий весьма редко. Этот вид документации, как правило, применяется при летучем контроле в случаях аварийных ситуаций, при ремонтах оборудования и при решении спорных вопросов. При проектировании систематического контроля за деформациями объектов промышленных предприятий в качестве отчетной документации используют форму технического отчета. Такие отчеты, в зависимости от количества накопленных материалов, состояния объектов, стадии эксплуатации предприятия и сооружений, накопленного опыта эксплуатации подобных предприятий и объектов в отрасли, и, наконец, с учетом требований проектировщиков и контролирующих органов, проектируют в виде промежуточных и окончательных. Составление окончательных (заключительных) отчетов проектируют при выполнении строительного цикла предприятия (перед пуском в эксплуатацию), при завершении активного периода осадок, а также не реже чем через каждые
5 лет эксплуатации. Промежуточные отчеты проектируют после каждого очередного цикла измерений. Если полученная в очередном цикле информация не содержит значительных отличий от предыдущего цикла измерений, материалы контроля могут быть оформлены в виде заключения. Как правило, промежуточные отчеты и заключения несут краткую информацию о конкретно полученных результатах измерений осадок и деформаций объектов и выводы по их техническому состоянию. Основная же полная информация по проектированию, проведению и анализу результатов контролю представляется в окончательном отчете.

Окончательный отчет по контролю осадок должен включать краткую характеристику входной документации, сведения из программы контроля и документацию, отражающую результаты геодезического контроля осадок.

Краткая характеристика входной документации должна включать:

- геологические и гидрологические данные о территории промплощадки
с результатами испытаний грунтов и анализа грунтовых вод;

- выписки их технологических паспортов зданий, сооружений, технологических узлов и оборудования по принятым конструктивным решениям и условиям работы;

- сведения по исполнительным съемкам объектов и отступлениям от проекта;

- выписки из инструкций по обслуживанию строительных конструкций
и оборудованию.

Сведения из программы контроля должны содержать:

- перечень объектов и параметров геодезического контроля на предприятии с указанием допусков, а также отступления от принятых проектных решений;

- планируемые методы контроля по объемной и временной характеристикам и управляющему воздействию, а также возможные отступления от них;

- планируемые методы и средства измерений и отступления от них;

- схемы расположения, размеры и описание конструкций установленных исходных реперов и осадочных марок;

- применяемую методику измерений.

Документация, отражающая результаты геодезического контроля, должна содержать материалы первичной и вторичной обработки информации по контролю осадок.

Методы первичной обработки информации по измерению осадок и деформаций сооружений и их оснований по своим целям и задачам базируются на общепринятых в инженерной геодезии принципах и методах обработки инженерно-геодезических измерений [6, 7, 14, 15, 84, 119, 120, 124, 131, 134, 143, 161, 166, 187, 188, 190, 211, 228 и др.]. В то же время, специфика нивелирных работ при контроле осадок сопровождается рядом существенных отличий, которые необходимо учитывать при составлении проекта. К ним относятся:

- необязательный постраничный контроль измерений превышений, что связано с незначительной длиной ходов и возможным применением регистрационных нивелиров;

- составление в крупных масштабах рабочих схем нивелирных ходов со значениями измеренных превышений (аналогично рис. 4.2.1), по которым проверяют правильность выполнения проекта и предварительно оценивают качество измерений по невязкам в полигонах или расхождениям превышений по линиям и ходам;

- применение методов уравнивания превышений для свободных сетей (при ступенчатой схеме измерений, описанной выше), что значительно упрощает вычислительные процессы;

- производство анализа устойчивости реперов исходной основы и выбор стабильного репера для данного цикла измерений абсолютных осадок.

Анализ устойчивости исходных реперов является специфическим отличительным процессом контроля абсолютных осадок сооружений. Поэтому уделим ему особое внимание.

Из опыта контроля и наблюдения осадок установлено, что отметки глубинных (фундаментальных) реперов, заложенных даже в скальных породах, могут изменяться, вследствие чего в измеряемые осадки вносятся погрешности.

На вертикальные смещения реперов [134] влияют природные (вариации температуры пород и уровня грунтовых вод, изменения влажностного режима и т. п.)
и антропогенные факторы (давление от воздвигаемых сооружений, забор грунтовых вод и т. д.). Поэтому, для достоверного выявления осадок наблюдаемых элементов сооружения, необходимо проводить тщательный анализ устойчивости исходных (опорных) реперов, и на основании этого анализа определяется наиболее стабильный репер, который принимается за исходный для данного цикла измерений.

Проблеме контроля устойчивости пунктов высотной основы посвящен ряд исследований как в России, так и за рубежом. Все способы определения устойчивых реперов названы по именам авторов, предложивших эти решения. Известны: способ , основанный на корреляционном анализе превышений; способ и , основанный на неизменности средней высоты репера; способ А. Костехеля, основанный на принципе неизменной отметки наиболее устойчивого репера сети; способ , в основе которого лежит принцип неизменной средней отметки реперов сети и др. Наибольшее распространение в практике работ получили два последних способа, как наиболее простых и легко реализуемых в расчетах.

Способ, разработанный румынским геодезистом А. Костехелем [259], основан на принципе неизменной отметки наиболее устойчивого репера сети. Автор предполагает, что после уравнивания свободной нивелирной сети колебание одноименных превышений в разных циклах вызывается главным образом осадками реперов. Поэтому разность значений превышений звена в текущем и первом циклах

отражает суммарное влияние осадок реперов между этими циклами. Значение v вычисляют для всех реперов и для каждой пары циклов, принимая последовательно за исходные реперы сети 1, 2, 3... Репер, для которого полученная [vv] = min, считается наиболее устойчивым, и его высота, взятая из начального цикла, принимается за исходную при вычислении отметок.

Для характеристики относительной стабильности сети в каждом цикле измерений i для каждого репера j вычисляют

, (4.2.13)

т. е. изменение его отметки («осадку») относительно начального цикла, и предельную погрешность определения этой разности

, (4.2.14)

где t – нормированный множитель, принимаемый равным 2 или 3;

– средняя квадратическая погрешность единицы веса;

– обратный эквивалентный вес хода.

Если , т. е. при , влияние осадки репера не превышает ошибок нивелирования, и он считается стабильным. В противном случае предполагается, что репер дает осадки и исключается из числа опорных. После исключения нестабильных реперов анализ сети повторяют.

В способе, предложенном [238], лежит принцип неизменной средней отметки реперов сети. В этом способе в каждом очередном цикле наблюдений нивелирная сеть уравнивается как свободная. По отметке любого репера из первого цикла наблюдений вычисляют отметки всех реперов сети в последующих циклах. Вследствие влияния погрешностей измерений и за счет возможных изменений положения реперов, вычисленные разности отметок одноименных реперов в текущем j и начальном циклах не будут равны нулю:

(4.2.15)

где 1, 2, ..., п – номер репера.

Если за исходный при вычислении отметок был принят первый репер, то . Находят такое значение поправки в высоту исходного репера в текущем цикле, чтобы после исправления всех отметок на эту поправку квадрат суммы оставшихся отклонений был минимальным:

(4.2.16)

Обозначив через , получают уравнения поправок

(4.2.17)

Решая уравнения (4.2.17) относительно под условием (4.2.16), находят

и

(4.2.18)

Введя поправку в исходную отметку, по уравненным превышениям перевычисляют отметки всех реперов текущего цикла. Таким же образом можно определить устойчивость одних и тех же реперов между двумя любыми циклами измерений.

В данном способе поправка (4.2.18) в отметку исходного репера является дополнением до отметки средней плоскости, так как вероятнейшие отметки будут средними из отметок, найденных при принятии за исходную каждой из опорных точек по одним и тем же уравненным превышениям в этом цикле.

Величины поправок в общем характеризуют состояние высотной основы. При более или менее устойчивых реперах эти поправки, как правило, не превышают допустимых ошибок геодезических измерений. Реперы, у которых поправки значительно превышают предельные ошибки нивелирования, должны быть исключены из числа опорных.

Как правило, при проектировании видов первичной документации по обработке результатов измерений осадок необходимо определить перечень обязательных отчетных документов, характеризующих полноту и качество самих геодезических измерений. Перечень таких документов подбирают в зависимости от категории объекта, проектируемых методов и средств измерений, наличия программного обеспечения вычислительных и оформительских работ у контролеров.

Типовой набор документов по обработке результатов измерений осадок включает:

- оформленные и проверенные полевые журналы или электронные носители первичной информации;

- результаты исследований нивелира и реек с актом метрологической аттестации;

- схемы размещения геодезической КИА со схемой нивелирования;

- материалы уравнивания нивелирования с оценкой точности результатов измерений и сравнительной характеристикой расчетной и фактически полученной точности;

- результаты оценки неподвижности исходных реперов;

- ведомость отметок и осадок марок.

Если процессы и методы обработки измерений и документы первичной информации по контролю осадок, названные выше, достаточно известны и применение их не вызывает особых трудностей у геодезистов, а для большинства пользователей продукцией (проектировщиков и эксплуатационников объектов) не представляют интереса, то документы вторичной информации, содержащие интерпретацию окончательных результатов измерений, имеют более важное значение как для геодезистов, так и для пользователей. Это связано, прежде всего, с необходимостью принятия решений о техническом состоянии объекта контроля, поиском причин, приведших к нему, и разработкой мероприятий по устранению недопустимых деформаций конструкций и оснований. Здесь необходимо учитывать тот факт, что интерпретация результатов, кроме достоверности и полноты, должна характеризоваться наглядностью и доступностью восприятия и понимания происходящих процессов осадок и деформаций объектов, т. е. материалы должны быть доступны специалистам негеодезического профиля работ.

При проектировании видов вторичной документации, отражающей результаты геодезического контроля, следует также учитывать как категорию объекта контроля, так и требования проектировщиков и эксплуатационников к качеству и содержанию материалов, отображающих реальную картину происходящих с сооружением и основанием процессов и явлений. Как правило, в проектах по контролю осадок объектов промышленных предприятий указывают следующие основные документы:

- ведомости или таблицы фактически полученных и допускаемых величин контролируемых геометрических параметров как отдельных конструкций, так
и объектов в целом – средних осадок объектов, относительных разностей осадок рам, прогибов, наклонов и т. п.; по ним путем простого сравнения устанавливают степень соответствия полученных осадок и деформаций установленным нормам;

- графики развития осадок фундаментов конструкций объектов во времени (рис. 4.2.3), по которым судят о степени развития процесса деформации каждого контролируемого элемента объекта во времени;

- графики линий равных осадок фундаментов объектов (рис. 4.2.4), по которым наглядно определяют места воронок оседания частей сооружения и основания и тем самым уточняют места поиска причин возникновения осадок;

- развернутые графики осадок фундаментов объектов (рис. 4.2.5), на которых наглядно изображают деформации рам каркасов зданий, вследствие неравномерных осадок фундаментов;

-  материалы прогнозирования деформаций по данным геодезических измерений (в случаях больших отклонений от проектных величин).

Документация, отражающая результаты геодезического контроля, заканчивается анализом осадок и деформаций объектов (табл. 4.2.5) и выводами.

Некоторые важные образцы документации, отражающей результаты геодезического контроля, приведены в [107, 116, 143, 187, 188].

Рис. 4.2.3. Графики развития осадок фундаментов конструкций во времени:

А-1 – осадки фундаментов колонн по ряду А здания